自然風(fēng)壓對豎井分段式縱向通風(fēng)系統(tǒng)的影響

李科，賈智剛，陳建忠，王少飛

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué)，北京 100081）

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自然風(fēng)壓對豎井分段式縱向通風(fēng)系統(tǒng)的影響

李科1，賈智剛2，陳建忠1，王少飛1

（1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；2.中央財(cái)經(jīng)大學(xué)，北京 100081）

摘要：以寧武（寧德—武夷山）高速公路洞宮山隧道為依托，分析了自然風(fēng)壓對豎井分段式縱向通風(fēng)系統(tǒng)的影響及自然風(fēng)壓的產(chǎn)生因素和計(jì)算方法；通過工程實(shí)測驗(yàn)證了自然風(fēng)壓對隧道洞內(nèi)風(fēng)壓的影響規(guī)律；介紹了洞宮山隧道利用自然風(fēng)壓進(jìn)行營運(yùn)通風(fēng)的實(shí)施方案，分析了該方案在提高通風(fēng)系統(tǒng)利用效率、降低系統(tǒng)運(yùn)營能耗方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：隧道；自然風(fēng)壓；分段式縱向通風(fēng)；自然通風(fēng)

在區(qū)域路網(wǎng)還未最終形成前，隧道營運(yùn)早期交通量遠(yuǎn)低于遠(yuǎn)期通行交通量，為使洞內(nèi)機(jī)電設(shè)備與實(shí)際通行交通量需求的營運(yùn)條件相匹配，現(xiàn)行《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》提出了通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)“統(tǒng)籌規(guī)劃，一次設(shè)計(jì)，分期實(shí)施”的設(shè)計(jì)理念。特長公路隧道通風(fēng)井等結(jié)構(gòu)物隨隧道主體施工一次建成，通風(fēng)設(shè)施卻根據(jù)交通量增加分階段實(shí)施，這將導(dǎo)致遠(yuǎn)期營運(yùn)需配套的結(jié)構(gòu)物在近期會(huì)閑置的情況，形成資源浪費(fèi)。通風(fēng)井貫通后，由于通風(fēng)井兩端自然高差和洞內(nèi)外溫差的存在，行車的氣壓差會(huì)在洞內(nèi)形成風(fēng)速，給隧道營運(yùn)通風(fēng)提供了有利條件。因此，如何在滿足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)和排煙需求的前提下合理利用自然風(fēng)，提高現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)的利用效率，是隧道通風(fēng)系統(tǒng)合理管理需解決的問題。下面以寧武（寧德—武夷山）高速公路洞宮山特長隧道為背景，對自然風(fēng)壓在豎井分段式縱向通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1　項(xiàng)目背景

洞宮山特長隧道場址區(qū)屬中低山地貌，地形起伏大，進(jìn)洞口自然山坡坡度35°～45°，出洞口自然山坡坡度30°～35°，自然山坡穩(wěn)定，洞身最高點(diǎn)海拔為1 266.8 m（旗山頂），溝塹較發(fā)育，大多呈V形。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和，多濕多雨，陽光充足，氣溫北低南高，年平均氣溫17.8～21.1℃，年平均降雨量1 556～2 229 mm。全年雨日164～177 d，3—4月為春雨季，雨量占全年的23%～24%；5—6月為梅雨季，雨量占36%～37%；7—9月為臺(tái)風(fēng)、雷雨季，雨量約占20%；10—翌年2月為少雨期，雨量約占20%。降雨分布不均勻，年際變化大。

洞宮山隧道的平縱主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2　隧道自然風(fēng)壓

路線縱坡引起的隧道兩端洞口高差、通風(fēng)斜/豎井兩端井口高差、洞內(nèi)外溫差、洞外自然風(fēng)與隧道內(nèi)風(fēng)速在洞口產(chǎn)生的“風(fēng)墻”等均會(huì)產(chǎn)生氣壓差，引起洞內(nèi)空氣流動(dòng)，統(tǒng)稱為自然風(fēng)壓?？偨Y(jié)以上自然條件，隧道內(nèi)自然風(fēng)壓一般由3種差壓構(gòu)成：一是洞口、通風(fēng)井口自然高差形成的靜壓差；二是洞口高差及洞內(nèi)外溫差形成的熱位差；三是隧道內(nèi)、外自然風(fēng)在洞口形成的“風(fēng)墻”效應(yīng)。

表1　洞宮山隧道主要技術(shù)參數(shù)

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》關(guān)于隧道自然風(fēng)形成的風(fēng)阻的計(jì)算公式為：

式中：ΔPm為隧道內(nèi)自然風(fēng)阻力（N/m2）；ξe為隧道入口局部阻力系數(shù)，取0.5；λr為隧道壁面摩擦阻力系數(shù)，取0.02；L為隧道長度（m）；Dr為隧道斷面當(dāng)量直徑（m）；ρ為空氣密度（kg/m3）；vn為自然風(fēng)作用引起的洞內(nèi)風(fēng)速（m/s），通常取2～3 m/s。

當(dāng)自然風(fēng)向與隧道營運(yùn)需風(fēng)向相反時(shí)，式（1）取“+”；反之取“-”。

洞宮山隧道面積為62 m2，隧道外自然風(fēng)速不同取值對隧道洞內(nèi)風(fēng)阻的影響見表2。

表2　隧道不同洞外風(fēng)速引起的洞內(nèi)風(fēng)阻情況

從表2可看出：風(fēng)速大小與其引起的隧道內(nèi)風(fēng)阻成二次方關(guān)系，合理利用洞外自然風(fēng)可大大提高隧道通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行效率，節(jié)省運(yùn)營開支。

3　自然風(fēng)壓對隧道洞內(nèi)壓力影響的計(jì)算

3.1靜壓差對隧道洞內(nèi)壓力影響的計(jì)算

如圖1所示，取隧道進(jìn)口1處、出口2處、通風(fēng)井進(jìn)口3處為計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)，其超靜壓差分別記為ΔP1、ΔP2、ΔP3，且設(shè)ΔP3=0。由于三處洞口存在超靜壓差，故隧道內(nèi)空氣開始流動(dòng)，并在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)氣流流動(dòng)的阻力定律，有：

式中：Rn為風(fēng)道n段的沿程風(fēng)阻；R′n為風(fēng)道n段的局部風(fēng)阻。

圖1　靜壓差對隧道洞內(nèi)壓力影響示意圖

現(xiàn)以洞宮山左線隧道為例，編程計(jì)算不同自然風(fēng)速下產(chǎn)生的洞內(nèi)自然風(fēng)量，計(jì)算模型見圖2。

圖2　洞宮山隧道超靜壓計(jì)算模型

以左線出口ΔP2為超靜壓差的計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)，則ΔP2=0，送風(fēng)井口ΔP3、排風(fēng)井口ΔP4及隧道進(jìn)口ΔP1的超靜壓差計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出：自然風(fēng)速引起的洞內(nèi)風(fēng)量與隧道斷面成正比，超靜壓差與其引起的隧道風(fēng)量成正比。

表3　洞宮山隧道左線各自然風(fēng)引起的洞內(nèi)各段風(fēng)量

3.2溫度對隧道洞內(nèi)壓力影響的計(jì)算

因隧道洞內(nèi)受外界自然條件影響較小，隧道洞內(nèi)外溫差不同，從而引起洞內(nèi)外空氣密度不同。當(dāng)洞內(nèi)氣溫高于洞外氣溫即洞外空氣密度大于洞外空氣密度時(shí)，隧道內(nèi)空氣將由海拔低端洞口向海拔高端洞口流動(dòng)；反之，當(dāng)洞內(nèi)氣溫低于洞外氣溫即洞外空氣密度小于洞外空氣密度時(shí)，隧道內(nèi)空氣將由海拔高端洞口向海拔低端洞口流動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為因熱位差引起的洞內(nèi)壓力變化。

對于有通風(fēng)豎井的隧道，主洞和通風(fēng)井內(nèi)均存在熱位差。計(jì)算時(shí)，假定洞內(nèi)氣溫為T0，兩洞口通風(fēng)井口氣溫分別為T1、T2、T3，對應(yīng)的空氣密度分別為ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，各洞口及通風(fēng)井口的標(biāo)高分別為H0、H1、H2、H3（見圖3），則有：

圖3　熱位差對隧道洞內(nèi)壓力影響示意圖

式中：ΔhⅠ、ΔhⅡ?yàn)槎纯?處、洞口2處分別與通風(fēng)井口4處之間的熱位差；Hn-m為兩點(diǎn)相對高差，即Hm-Hn；ρⅠ、ρⅡ?yàn)槎纯?處、洞口2處分別與通風(fēng)井口4處的平均空氣密度。

該隧道左線中部設(shè)置一處豎井，隧道所在地平均大氣壓力為92 004 Pa，各點(diǎn)的高程分別為H1= 47.2 m、H2=0 m、H3=140 m。左線熱位差計(jì)算模型見圖4，計(jì)算結(jié)果見表4。

圖4　洞宮山隧道熱位差計(jì)算模型

從表4可以看出：隧道內(nèi)通風(fēng)量變化與洞內(nèi)外溫差變化成正比。

3.3洞口“風(fēng)墻”對隧道洞內(nèi)壓力影響的計(jì)算

隧道外自然風(fēng)吹向隧道內(nèi)時(shí)，因洞口局部阻力損失及與隧道壁碰撞后，自然風(fēng)動(dòng)壓的一部分轉(zhuǎn)變成靜壓力，另一部分動(dòng)壓繼續(xù)對隧道洞內(nèi)風(fēng)速造成影響。剩余動(dòng)壓計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：va為隧道外自然風(fēng)速（m/s）；α為自然風(fēng)風(fēng)向與隧道中線的夾角（°）。

計(jì)算隧道洞外自然風(fēng)速分別為1、3、5、7、9 m/s時(shí)自然風(fēng)對洞內(nèi)壓力的影響，結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出：隧道外自然風(fēng)速為1～9 m/s時(shí)，當(dāng)自然風(fēng)向與隧道軸線平行時(shí)，洞外風(fēng)速引起洞內(nèi)風(fēng)速及壓力變化較大，洞內(nèi)外風(fēng)速計(jì)風(fēng)壓之比均約為0.7；當(dāng)自然風(fēng)向與隧道軸線垂直時(shí)，洞外風(fēng)速引起洞內(nèi)風(fēng)速及壓力變化幾乎為零。

表4　洞宮山隧道左線熱位差引起的洞內(nèi)各段風(fēng)量

圖5　自然風(fēng)對隧道內(nèi)風(fēng)速及風(fēng)壓的影響

4　洞宮山隧道氣象實(shí)測

上面分別計(jì)算了洞外3種動(dòng)力對隧道內(nèi)壓力的影響，各動(dòng)力孤立，互不干擾。但現(xiàn)實(shí)中3種動(dòng)力是同時(shí)存在、相互作用的，其共同作用對隧道產(chǎn)生的影響通過現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行分析。現(xiàn)場測試內(nèi)容包括大氣壓力、溫度、風(fēng)速及風(fēng)向。

洞宮山隧道全長6 500 m，豎井位于3 200 m處。其中左洞縱向自然風(fēng)測試共設(shè)置11個(gè)測點(diǎn)（見圖6）。

圖6　洞宮山隧道左洞自然風(fēng)測點(diǎn)布置

同一時(shí)間各測點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)壓、溫度為一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間隔5 min，連續(xù)測試2 h，每個(gè)時(shí)間段共24組數(shù)據(jù)，共取得1 344組實(shí)測數(shù)據(jù)。整理后數(shù)據(jù)見圖7～9。

對隧道實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得：1）該隧道豎井內(nèi)的自然風(fēng)速為±（1～3）m/s，隧道內(nèi)自然風(fēng)速為±（1～2）m/s。2）隧道左洞自然風(fēng)向，豎井內(nèi)夏季由隧道外向隧道內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)口段由隧道外向隧道內(nèi)流動(dòng)，出口段由隧道內(nèi)向隧道外流動(dòng)。3）超靜壓差與其引起的隧道風(fēng)量成正比；隧道內(nèi)通風(fēng)量變化與洞內(nèi)外溫差變化成正比。

圖7　洞宮山隧道左洞風(fēng)速變化曲線

圖8　洞宮山隧道左洞溫度變化曲線

圖9　洞宮山隧道左洞大氣壓力變化曲線

5　工程應(yīng)用

根據(jù)該隧道氣象數(shù)據(jù)實(shí)測值，計(jì)算得表5所示各工況下隧道各通風(fēng)段的風(fēng)量（見表6）。將表6中自然風(fēng)量用圖表述，結(jié)果見圖10。

從圖10可看出：隧道左洞內(nèi)主導(dǎo)自然風(fēng)和行車方向一致，能有效利用自然風(fēng)對隧道內(nèi)污染空氣進(jìn)行稀釋，其有效自然風(fēng)利用量見表7。

表5　洞宮山隧道各區(qū)段風(fēng)量計(jì)算工況

表6　各工況下洞宮山隧道各區(qū)段計(jì)算風(fēng)量

圖10　洞宮山隧道左洞自然風(fēng)量流動(dòng)示意圖（單位：m3/s）

表7　各工況下洞宮山隧道左洞有效自然風(fēng)利用量

眾所周知，利用自然風(fēng)能對隧道正常營運(yùn)輔助通風(fēng)提供有利條件，但其風(fēng)量會(huì)受隧道沿程阻力等因素影響而減少，同時(shí)受交通通風(fēng)力影響，對隧道通風(fēng)提供動(dòng)力（或阻力）。稀釋隧道內(nèi)污染空氣需風(fēng)量、汽車交通通風(fēng)力、隧道通風(fēng)阻抗力計(jì)算方法在《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》中有詳細(xì)介紹，在此不贅述。

根據(jù)《國家高速公路沈陽至?？诳v線寧德至上饒聯(lián)絡(luò)線福建境內(nèi)段（寧德至武夷山）可行性研究報(bào)告》及其修訂本提供的隧道各設(shè)計(jì)年份交通組成，分別計(jì)算洞宮山隧道各交通量下左洞稀釋CO和VI的需風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8　洞宮山隧道左洞全長稀釋CO和VI的需風(fēng)量

從表8可知：設(shè)計(jì)車速為30～80 km/h、設(shè)計(jì)交通量為100～700 veh/h工況下，利用自然風(fēng)能稀釋洞內(nèi)CO。在設(shè)計(jì)車速為30～80 km/h、設(shè)計(jì)交通量為100～500 veh/h及設(shè)計(jì)車速為60～80 km/h、設(shè)計(jì)交通量為600 veh/h工況下，利用自然風(fēng)能稀釋洞內(nèi)VI，其他工況則不能。

參照《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》計(jì)算該隧道交通通風(fēng)力ΔPt和自然風(fēng)阻力ΔPm，得ΔPm=13.93 N/m2，ΔPt計(jì)算結(jié)果見表9。

表9　洞宮山隧道交通通風(fēng)力ΔPt計(jì)算結(jié)果

由表9可以看出：在高峰小時(shí)混合車交通量為100～200輛、行車速度為30～40 km/h的情況下，交通通風(fēng)力不能抵抗隧道出口段自然風(fēng)阻力，除此以外，其余工況交通通風(fēng)力均大于自然風(fēng)阻力。但如此小的交通量下，全隧道車輛以40 km/h通行的可能性很小，故在通行交通量小于700 veh/h的營運(yùn)近期，閑置（未設(shè)置通風(fēng)設(shè)備）的通風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)的空氣量能稀釋隧道內(nèi)CO及VI污染物，不需開啟機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，利用隧道各洞口間形成的超靜壓差及洞內(nèi)外溫差引起的有利自然風(fēng)即能滿足營運(yùn)通風(fēng)需求。

6　結(jié)語

該文以寧武高速公路洞宮山隧道為依托，采用理論計(jì)算、現(xiàn)場實(shí)測等手段，分析了自然風(fēng)壓對豎井分段式縱向通風(fēng)系統(tǒng)的影響，并將這一成果在該隧道推廣應(yīng)用，提高了通風(fēng)系統(tǒng)的利用效率，降低了系統(tǒng)運(yùn)營能耗。

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中圖分類號(hào)：U453.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0250-06

收稿日期：2016-01-25